BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana Sistem refrigerasi kompresi uap sederhana merupakan sistem refrigerasi yang menggunakan kompresor sebagai alat pemompa refrigeran. Uap refrigeran bertekanan rendah yang masuk pada sisi penghisap (suction) ditekan di dalam kompresor sehingga berubah menjadi uap refrigeran bertekanan tinggi yang dikeluarkan pada sisi keluaran (discharge). Sehingga dari proses tersebut dapat ditentukan sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah. Pada sistem kompresi uap tempat dimana refrigeran menguap karena menyerap kalor dari media yang didinginkannya disebut dengan evaporator, alat untuk mengubah refrigeran cair bertekanan tinggi menjadi bertekanan rendah disebut alat ekspansi dan tempat refrigeran berkondensasi karena melepas kalor ke lingkungan disebut dengan kondensor. Proses ini bisa di lihat pada Gambar 2.1. Qk Discharge Line Liquid Line Kondensor Alat Ekspansi Kompresor Sisi Tekanan Tinggi Sisi Tekanan Rendah Expansion Line Evaporator Qe Suction Line Gambar 2.1 Siklus refrigerasi kompresi uap sederhana (Sumber: Modern Refrigeratin and Air Conditioning, Althose, 2003) Sepanjang jalur tersebut refrigeran mengalir melalui pipa tembaga yang menguhubungkan antar komponen sehingga akan menghasilkan dampak pendinginan. Dalam diagram p-h dapat digambarkan seperti ini: 5
6 Pressure (bar absolute) Pc 3 2 Pe 4 1 h3 = h4 h1 h2 Enthalpy (kj/kg) Gambar 2.2 Diagram P-h (Sumber: Priciple Of Refrigeration, Dossat, 1981) Proses yang terjadi diatas adalah sebagai berikut: 1-2 Proses Kompresi Refrigeran masuk kompresor dalam keadaan uap jenuh dengan temperatur rendah dan tekanan rendah. Refrigeran yang masuk kompresor ditekan sehingga tekanannya naik dari tekanan suction menjadi tekanan discharge. Refrigeran yang keluar dari kompresor dalam keadaan temperatur tinggi dan tekanan tinggi. Kerja yang dilakukan kompresor adalah: Q w = m (h 2 h 1 )...(1) Dimana : Q w = Kerja Kompresi (kw) m = Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 1 = entalphi refrigeran masuk kompresor ( kj/kg) h 2 = entalphi refrigeran keluar kompresor ( kj/kg) Atau Dalam bentuk kerja Spesifik: q w = h 2 h 1 Sedangkan rasio kompresi dapat dihitung dengan persamaan: Pd Rasio kompresi: r = Ps Dengan:
7 Pd = Tekanan discharge (bar) Ps = Tekanan suction (bar) 2-3 Proses Kondensasi Refrigeran masuk kondensor dalam keadaan super heat. dikondenser Refrigeran melepaskan kalor kelingkungan sehingga terjadi penurunan temperatur sampai batas uap jenuh, setelah itu refrigeran berubah fasa dari uap menjadi cair jenuh. Proses ini terjadi dalam keadaan tekanan konstan (Isobar) dan besar kalor yang dilepaskan dikondenser atau heat rejection adalah: Q k = m (h 2 h 3 )...(2) Dengan: Q k = Besarnya kalor yang dilepaskan di kondensor (kw) m = Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 2 = Entalphi refrigeran masuk kondenser ( kj/kg) h 3 = Entalphi refrigeran keluar kondenser ( kj/kg) Atau Kalor dilepas spesifik adalah: q k = h 2 h 1
8 Proses Ekspansi Pada proses ini refrigeran mengalami penurunan tekanan. Dengan terjadinya penurunan tekanan maka temperatur refrigeran akan turun. Dalam hal ini refrigeran tidak mengalami penambahan atau pengurangan energi sehingga prosesnya dalam kondisi entalphi konstan (isentalphy) yaitu h 3 = h 4. Dimana: h 3 = Entalphi refrigeran masuk ekspansi ( kj/kg) h 4 = Entalphi refrigeran keluar ekspansi ( kj/kg) Umumnya refrigeran yang masuk dalam keadaan cair jenuh dan setelah diekspansi refrigeran dalam keadaan campuran. 4-1 Proses Evaporasi Proses ini terjadi pada tekanan konstan (isobar). Refrigeran yang keluar dari alat ekspansi masuk ke evaporator lalu menyerap kalor dari bahan atau media yang akan didinginkan. Kalor yang diserap tersebut digunakan refrigeran untuk berubah fasa dari campuran menjadi uap jenuh. Refrigeran yang keluar dari evaporator dalam bentuk uap jenuh dan besar kalor yang diserap evaporator disebut beban pendinginan atau kapasitas pendinginan. Kalor yang diserap evaporator dapat dihitung dengan persamaan: Q e = m (h 1 h 4 )...(3) Dimana: Q e = Beban Pendinginan (kw) m = Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 1 h 4 = Entalphi refrigeran masuk evaporator ( kj/kg) = Entalphi refrigeran keluar evaporator ( kj/kg) Sedangkan penarikan kalor spesifik disebut efek refrigerasi, dinyatakan sebagai berikut: q e = h 1 h 4 Untuk menghitung besarnya COP dapat digunakan persamaan sebagai berikut:
9 a. COPactual adalah perbandingan efek refrigerasi terhadap kerja kompresi. COP Efek Refrigerasi qe = = Kerja Kompresi qw...(4) b. COPcarnot adalah perbandingan temperatur evaporasi dibandingkan dengan selisih temperatur kondensasi dan evaporasi. COP = Tevap Tkond - Tevap...(5) c. Efisiensi refrigerasi adalah perbandingan antara COPactual dan COPcarnot. efisiensi = COPactual COPcarnot...(6) 2.2 Komponen Sistem Refrigerasi Komponen sistem refrigerasi terbagi atas komponen utama sistem refrigerasi, komponen pendukung sistem refrigerasi dan komponen kelistrikan sistem refrigerasi. Yang termasuk kedalam komponen utama adalah kompresor, kondenser, alat ekspansi, evaporator dan media pendingin atau refrigeran. Komponen pendukung sistem refrigerasi yang sering digunakan terdiri atas filter dryer, solenoid valve, thermostat, sight glass, liquid receiver, high low pressure dan pressure gauge. Sedangkan komponen kelistrikan sistem refrigerasi terdiri atas volt meter, ampere meter, saklar togel, lampu pilot, kontaktor, TDR (time delay relay), MCB (miniatur circuit breaker), dan line up terminal. 2.2.1 Komponen Utama Sistem Refrigerasi 2.2.1.1 Kompresor Kompresor merupakan jantung dari sistem refrigerasi kompresi uap. Kompresor akan menekan uap refrigeran yang berasal dari suction line sehingga menaikkan temperatur dan tekanan uap refrigeran tersebut. Selanjutnya refrigeran dialirkan ke kondensor melalui discharge line.
10 Berdasarkan cara kerjanya kompresor dibagi menjadi lima, yaitu: Kompresor Torak (Reciprocating Compressor) Kompresor Putar (Rotary Compressor) Kompresor Sentrifugal (Centifugal Compressor) Kompresor sekrup (ScrewCompressor) Kompresor Scroll Sedangkan berdasarkan penempatan motornya kompresor ini terbagi menjadi tiga macam, yaitu: Kompresor Hermetik Kompresor Semi Hermetik Kompresor Open Type Masing-masing kompresor di atas mempunyai keunggulan tersendiri tergantung dari pemakainnya. Secara umum pemakain jenis-jenis kompresor tersebut ditentukan oleh besarnya kapasitas, penggunaannya, instalasinya, dan jenis refrigeran yang digunakan. 2.2.1.2 Kondenser Kondenser adalah suatu alat yang digunakan untuk proses perpindahan panas. Pada kondenser akan terjadi proses kondensasi, dimana refrigeran akan berubah fasa dari uap menjadi cair. Proses kondensasi terjadi karena uap refrigeran yang bertekan dan bertemperatur tinggi melepas kalor ke lingkungan atau media pendinginnya. Berdasarkan cara pendinginananya, kondenser dibagi menjadi tiga, yaitu: Kondenser berpendingin udara (Air-Cooled Condenser) Kondenser berpendingin Air (Water-Cooled Condenser) Kondenser berpendingin air dan udara (Evaporative Condenser)
11 2.2.1.3 Alat Ekspansi Alat ekspansi merupakan komponen utama dalam mesin pendingin yang digunakan untuk menurunkan tekanan refrigeran cair secara entalphi konstan. Beberapa jenis alat ekspansi yang sering digunakan dalam sistem refrigerasi kompresi uap yaitu AXV (automatik expantion valve), TXV (thermostatik expantion valve) dan pipa kapiler. 2.2.1.4 Evaporator Evaporator merupakan komponen utama dalam mesin pendingin yang berfungsi untuk menyerap kalor dari udara sekitar atau beban kalor yang berada disekitarnya dan menggunakan kalor tersebut untuk mengubah fasa refrigeran dari cair menjadi uap jenuh dengan tekanan konstan. Menurut konstruksinya evaporator dapat dibedakan menjadi beberapa tipe: Tubular (jenis pipa spiral, pipa ganda, shell and tube) Plate surface Finned 2.2.1.5 Refrigeran Refrigeran merupakan fluida yang dapat diubah fasanya dari fasa cair ke fasa gas atau sebaliknya. Refrigeran dipakai untuk menyerap kalor dari bahan yang akan didinginkan (melalui evaporator) dan melepas kalor yang diserap tersebut ke lingkungan (melalui kondensor). Syarat-syarat refrigeran antara lain: Tidak beracun. Tidak mudah terbakar. Tidak merusak lingkungan. Viskositas rendah. Konduktivitas termal tinggi. Bercampur dengan oli tapi tidak bereaksi. Titik beku rendah. Mempunyai struktur kimia yang stabil. Harganya murah.
12 Dalam memilih refrigeran harus memperhatikan NBP (normal boiling point ) atau titik didih refrigeran pada tekanan satu atmosfir. Selain itu tekanan kerja terendah dalam sistem harus lebih tinggi dari tekanan atmosfir supaya jika terjadi kebocoran udara luar tidak masuk ke sistem melainkan refrigeran yang keluar sistem. 2.2.2 Komponen Pendukung Sistem Refrigerasi 2.2.2.1 Filter dryer Filter dryer merupakan alat yang digunakan untuk menyaring kotoran-kotoran yang terbawa oleh refrigeran cair dalam sistem dan mengeringkan uap air yang terdapat dalam refrigeran. 2.2.2.2 Liquid receiver Liquid receiver berfungsi untuk menampung refrigeran cair yang berasal dari kondensor. Dengan adanya komponen ini dapat dipastikan bahwa refrigeran yang menuju liquid line berfasa cair. 2.2.2.3 Sight glass Sight glass adalah alat yang digunakan untuk mengetahui apakah didalam sistem pemipaan refrigerasi ada aliran refrigeran atau tidak. Selain itu sight glass juga berfungsi untuk melihat apakah jumlah refrigeran yang terdapat dalam sistem sudah cukup atau belum. Sight glass dipasang pada saluran liquid line setelah filter dryer. 2.2.2.4 Solenoid valve Solenoid valve berfungsi untuk menghentikan atau meneruskan aliran refrigeran dalam suatu sistem refrigerasi, dimana pengaturannya dilakukan oleh arus listrik. Solenoid valve terdiri dari katup dan rumah katup. Pada rumah katup terdapat kumparan dan plunger. Apabila kumparan dialiri arus listrik maka akan menimbulkan medan magnet sehingga plunger terangkat ketengah kumparan dan akhirnya lubang katup membuka. Apabila aliran listrik dimatikan maka medan magnet pada kumparan
13 akan hilang dan plunger karena beratnya sendiri akan jatuh kebawah sehingga menutup lubang katup. 2.2.2.5 Thermostat Kegunaan alat ini adalah untuk mengatur suhu dalam suatu ruangan agar dapat dipertahankan pada suhu yang konstan pada batas suhu yang telah ditentukan. Alat tersebut dapat secara otomatis memutuskan dan menghubungkan kembali arus listrik. Apabila suhu ruangan telah tercapai maka kontaknya akan membuka, dan setelah suhu ruangan naik kembali sampai batas yang telah ditentukan maka kontaknya akan menutup kembali. 2.2.2.6 High-low pressure (HLP) Saklar pemutus tekanan yang berfungsi melindungi sistem dari tekanan yang terlalu tinggi atau terlalu rendah. HLP bekerja berdasarkan tekanan, apabila tekanan terlalu rendah atau terlalu tinggi maka kontaknya akan membuka sehingga arus listrik terputus dan sistem akan mati. Setelah tekanannya kembali normal maka kontaknya akan menutup kembali dan akhirnya sistem bekerja kembali. 2.2.2.7 Pressure gauge Pressure gauge berfungsi sebagai penunjuk tekanan kerja pada sistem namun tekanan yang diukur bukanlah tekanan absolute melainkan tekanan gauge. Pressure gauge terbagi atas dua macam yaitu high pressure dan low pressure. 2.2.3 Komponen Kelistrikan Sistem Refrigerasi 2.2.3.1 MCB (Miniatur Circuit Breaker) MCB adalah suatu alat yang digunakan untuk pengaman terhadap beban lebih atau arus hubung singkat. Jika terjadi arus beban lebih atau hubung singkat, MCB akan memutuskan rangkaian dari sumber tegangan. 2.2.3.2 Volt-meter Volt-meter berfungsi untuk mengukur besarnya tegangan listrik yang dipakai oleh sistem. Dalam hal ini besar tegangan listrik yang terjadi ± 220 volt.
14 2.2.3.3 Ampere-meter Ampere-meter berfungsi untuk mengukur besarnya arus listrik yang mengalir pada sistem. Semakin tinggi perbedaan tekanan pada sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah pada sistem arus yang terjadi akan semakin besar. Ampere-meter juga bisa digunakan sebagai alat untuk mengamati jumlah refrigeran yang dimasukan dalam sistem. 2.2.3.4 Time delay relay (TDR) Time delay relay adalah suatu alat yang berfungsi untuk menunda arus awal yang besar yang masuk kedalam alat-alat ukur yang mempunyai tahanan dalam rendah, sehingga menghindari rusaknya alat-alat tersebut. 2.2.3.5 Lever switch (Saklar Togel) Lever switch adalah alat yang digunakan sebagai saklar untuk mematikan atau menghidupkan sistem. Switch ini dilengkapi dengan pengunci dan mempunyai satu pole atau dua pole. 2.2.3.6 Kontaktor Kontaktor adalah komponen listrik yang berfungsi untuk melewatkan arus menuju komponen yang dituju dengan menggunakan saklar on/off sebagai prinsip kerjanya. Kerja kontaktor ini didasarkan pada suatu kumparan yang dialiri arus, yang mana saklar N/O atau N/C akan membuka atau menutup sesuai dengan ada atau tidaknya arus yang masuk di dalamnya. 2.2.3.7 Pilot Lamp Digunakan sebagai indikator bahwa sistem atau komponen yang dihubungkan paralel dengannya sudah bekerja. 2.2.3.8 Line Up Terminal Pada dasarnya hanya berfungsi sebagai penghantar arus listrik dari dan menuju alat-alat kontrol. Alat ini memudahkan kita untuk menghubungkan kabel yang banyak jumlahnya.
15 2.3 Proses Perpindahan Kalor Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai perpindahan energi dari suatu sistem ke lingkungannya ataupun dari suatu lingkungan ke sistem akibat adanya perbedaan temperatur antara sistem dan lingkungan. 2.3.1 Konduksi Konduksi adalah suatu proses perpindahan kalor dimana kalor mengalir dari suatu daerah yang bertemperatur lebih rendah dalam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antara medium medium yang lain bersinggungan secara langsung. Hubungan dasar untuk perpindahan panas secara konduksi diusulkan oleh J.B.J. Fourier, pada tahun 1882. hubungan ini menyatakan bahwa q k, laju aliran panas dengan konduksi dalam suatu bahan, sama dengan hasil kali dari tiga buah besaran berikut: 1. k, konduktivitas termal bahan [w/m K] 2. A, luas penampang, dimana panas mengalir dengan cara konduksi [m 2 ] 3. dt, gradient temperatur pada penampang tersebut [K/m] dx Persamaan dasar untuk perpidahan panas konduksi adalah sebagai berikut : dt dx cond = ka [ watt] 2.3.2 Konveksi Konveksi adalah proses transport energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Konveksi sangat penting sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat dan cairan atau gas. 2.3.2.1 Konveksi paksa Rumus rumus empiric untuk menghitung perpindahan panas konveksi paksa adalah: Bilangan Reynold (re):
16 u L Re = v...(12) Dengan: u = Kecepatan aliran bebas [m/s] L = Jarak batas [m] µ V = = Viskositas Kinematik [m²/ s] ρ Koefisien perpindahan panas rata- rata; h = knu L..(13) 2.4 Beban Pendinginan Beban pendiginan yang harus diserap oleh evaporator berasal dari lingkungan sekitar kabin, karena didalam kabin tidak disimpan suatu barang apapun yang bisa menjadi beban pendinginan. Beban pendinginan tersebut masuk ke kabin secara konduksi. Sehingga, perpindahan panas yang terjadi pada kabin evaporator dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: q = U.A. Δ T [W] (14) Dengan: U = 1 R total = Koefisien perpindahan panas menyeluruh [w/m²k] A = Luas [m 2 ] Δ T = Selisih temperatur [K]
17 2.4.4.1 Menentukan Tahanan Termal Untuk perpindahan panas secara konduksi : R = Δ x k..(15) Untuk perpindahan panas secara konveksi: R = h 1 (16) Dimana: R = Tahanan thermal [m²k/w] Δ x = Tebal [m] K= Konduktivitas thermal [w/m K] h = Koefisien perpindahan panas konveksi [w/m C] 2.4.4.2 Beban Produk Merupakan besarnya kalor yang ditimbulkan produk yang akan didinginkan, beban ini dapat dihitung dengan persamaan: Q =!.!".!!.!"##...(17) Dengan: Q : kalor yang berasal dari produk (kw) m : massa produk (kg) Cp : kalor spesifik (kj/kg K) T : perbedaan antara temperature awal dan akhir (K) n : Chilling time (jam) 2.4.4.3 Beban Peralatan Beban peralatan dapat dihitung dengan rumus :! =!.!!"#$!"#$%&'()*!"#$%&/ 24...(18) dengan: W : Daya output peralatan
18 T : Waktu operasional peralatan Dimana heat equivalent factor dapat dilihat pada Table 10-13 Dossat Halaman: 220 2.5 Beban Total Beban total merupakan beban secara keseluruhan dari beban, yaitu beban transmisi, beban produk, dan beban lain-lain. Sehingga peramaannya:!!"!#$ =!!"#$%&'%' +!!"#$%& +!!"#$%$&$' +!!"#$!"#$...(19) Untuk keamanan beban total ditambahkan safety factor, sehingga beban total sitem menjadi :!!"!#$!"#$%&!"#$%& =!!"!#$!"#$%&!"#$%& +!!"!#$...(20) Dimana besarnya safety factor tergantung pada desainer atau perancang, biasanya berkisar antara 5% - 20%. Dari beban total rancangan dapat diperoleh kapasitas peralatan yang dibutuhkan, dengan persamaan :! =!!"!#$!"#$%&!"#$%&!"!"#$%&'()!"#$...(21) 2.5 Susu Kambing Susu kambing merupakan sumber protein terbaik setelah telur dan hampir setara dengan ASI. Bahkan di daerah kering dan tandus seperti Afrika dan sebagian India, masyarakatnya mengandalkan susu kambing untuk menggantikan cairan tubuh yang hilang. Sejak ribuan tahun yang lalu, susu kambing sudah sering digunakan sebagai pengobatan dan pencegah penyakit. Beberapa macam penyakit yang mampu disembuhkan, diantaranya : alergy, asma, gangguan pernafasan, kolesterol, asam urat, diabetes dll. Susu kambing yang terbaik adalah susu segar (raw goat milk), bukan susu kambing bubuk. Karena proses pemasakan susu kambing yang kurang tepat dapat merusak kandungan mineral yang berkhasiat sebagai antiseptik dan pelindung jaringan paru-paru. Terlebih susu kambing yang telah diolah menjadi susu bubuk, proses pengolahan dari susu segar menjadi susu bubuk, mengalami proses pemanasan dan penguapan dan penambahan zat pengawet sampai akhirnya menjadi susu bubuk.
19 Jadi kualitas susu kambing cair segar jauh lebih baik dari pada susu kambing bubuk, maka dari itu disarankan untuk mengkonsumsi susu cair segar, dari pada susu kambing yang berupa susu bubuk. 2.5.1 Beberapa Keunggulan susu kambing dibanding susu sapi 1. Menyembuhkan reaksi-reaksi alergi pada kulit, saluran napas dan pencernaan. 2. Menyembuhkan berbagai kelainan ginjal serta asam urat. 3. Kadar Fluorine susu kambing 10-100 kali lebih besar dibandingkan dengan susu sapi yang bermanfaat sebagai anti septik alami dan dapat membantu menekan pembiakan bakteri di dalam tubuh. 4. Bersifat basa (alkaline food) sehingga aman dikonsumsi dan bermanfaat bagi tubuh. 5. Proteinnya lembut dan efek laksatifnya sedikit, sehingga tidak menyebabkan diare. 6. Lemaknya mudah dicerna, karena mempunyai tekstur yang lembut dan halus dibandingkan dengan susu sapi. 7. Kandungan Sodium (Na), Fluorine (F), Kalsium (Ca), Fospor (P), yang dominan sangat baik untuk kesehatan manusia. 8. Susu kambing berwarna putih bersih dan tidak berbau amis dan lebih higienis.